(a) e (b) mostrano le strutture a bande elettroniche di Bi2Te3 e un campione di isolante topologico magnetico; la struttura del cono di Dirac è molto più prominente in quest'ultimo. (c) I due picchi di fotoemissione evidenziati e la loro progressiva fusione sono stati attribuiti alla chiusura del DC gap all'aumentare della temperatura. Credito:Nature Communications
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology hanno fatto luce sulla relazione tra le proprietà magnetiche degli isolanti topologici e la loro struttura a bande elettroniche. I loro risultati sperimentali offrono nuove informazioni sui recenti dibattiti riguardanti l'evoluzione della struttura a bande con la temperatura in questi materiali, che mostrano fenomeni quantistici insoliti e sono considerati cruciali nell'elettronica di prossima generazione, spintronica, e computer quantistici.
Gli isolanti topologici hanno la peculiare proprietà di essere elettricamente conduttivi in superficie ma isolanti al loro interno. Questo apparentemente semplice, caratteristica unica consente a questi materiali di ospitare una pletora di fenomeni quantistici esotici che sarebbero utili per i computer quantistici, spintronica, e sistemi optoelettronici avanzati.
Per sbloccare alcune delle insolite proprietà quantistiche, però, è necessario indurre magnetismo negli isolanti topologici. In altre parole, è necessario ottenere una sorta di "ordine" nel modo in cui gli elettroni nel materiale si allineano l'uno rispetto all'altro. Nel 2017, è stato proposto un nuovo metodo per raggiungere questa impresa. Definito 'estensione magnetica, ' la tecnica prevede l'inserimento di un monostrato di materiale magnetico nello strato più alto dell'isolante topologico, che aggira i problemi causati da altri metodi disponibili come il doping con impurità magnetiche.
Sfortunatamente, l'uso dell'estensione magnetica ha portato a domande complesse e risposte contrastanti sulla struttura elettronica delle bande dei materiali risultanti, che determina i possibili livelli di energia degli elettroni e determina infine le proprietà conduttive del materiale. È noto che gli isolanti topologici esibiscono il cosiddetto cono di Dirac (DC) nella loro struttura a bande elettroniche che assomiglia a due coni uno di fronte all'altro. In teoria, la DC è ungapped per gli isolanti topologici ordinari, ma diventa gapped inducendo magnetismo. Però, la comunità scientifica non ha concordato sperimentalmente la correlazione tra il divario tra le due punte dei coni e le caratteristiche magnetiche del materiale.
Le immagini di microscopia elettronica a trasmissione a scansione sono state utilizzate insieme alla spettroscopia a dispersione di energia per determinare la composizione atomica delle due possibili strutture dei campioni. Credito:Nature Communications
In un recente tentativo di risolvere la questione, scienziati di diverse università e istituti di ricerca hanno condotto uno studio collaborativo guidato da Assoc Prof Toru Hirahara di Tokyo Tech, Giappone. Hanno fabbricato strutture topologiche magnetiche depositando Mn e Te su Bi 2 Te 3 , un isolante topologico ben studiato. Gli scienziati hanno teorizzato che strati extra di Mn avrebbero interagito più fortemente con Bi 2 Te 3 e che le proprietà magnetiche emergenti potrebbero essere attribuite ai cambiamenti nel gap DC, come spiega Hirahara:"Speravamo che le forti interazioni magnetiche tra gli strati avrebbero portato a una situazione in cui la corrispondenza tra le proprietà magnetiche e il gap DC fosse netta rispetto agli studi precedenti".
Esaminando le strutture delle bande elettroniche e le caratteristiche di fotoemissione dei campioni, hanno dimostrato come il gap DC si chiude progressivamente all'aumentare della temperatura. Inoltre, hanno analizzato la struttura atomica dei loro campioni e hanno trovato due possibili configurazioni, MnBi 2 Te 4 /Bi 2 Te 3 e Mn 4 Bi 2 Te 7 /Bi 2 Te 3 , quest'ultimo è responsabile del DC gap.
Però, una scoperta particolarmente sconcertante è stata che la temperatura alla quale il gap DC si chiude è ben al di sopra della temperatura critica (TC), al di sopra del quale i materiali perdono il loro ordinamento magnetico permanente. Ciò è in netto contrasto con studi precedenti che indicavano che il gap DC può ancora essere aperto a una temperatura superiore alla TC del materiale senza chiudersi. A questa nota, Hirahara osserva:"I nostri risultati mostrano, per la prima volta, che la perdita dell'ordine magnetico a lungo raggio sopra il TC e la chiusura del gap DC non sono correlati."
Sebbene saranno necessari ulteriori sforzi per chiarire la relazione tra la natura del DC gap e le proprietà magnetiche, questo studio è un passo nella giusta direzione. Auspicabilmente, una comprensione più profonda di questi fenomeni quantistici ci aiuterà a raccogliere la potenza degli isolanti topologici per l'elettronica di prossima generazione e l'informatica quantistica.
